загрузка...
 
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
Повернутись до змісту

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Липидный бислой практически непроницаем для полярных молекул. Исключение составляют вода и газы (О2, N2, СОг и т.д.), а также нейтральные органические вещества, молекулярная масса которых не превышает 100 Да (мочевина, этанол, глицерол и им подобные). Макромолекулы и надмолекулярные образования преодолевают мембрану посредством от- почковывания везикул и их слияния (эндоци- тоз, экзоцитоз, образование лизосом, фаголизо- сом и т.п.). Некоторые из них (включая транс- феррин, липопротеины плазмы крови, комплексы антиген-антитело, многие вирусные частицы и токсины) попадают в клетку путем рецептор-опосредованного эндоцитоза.

Для всех остальных веществ проникновение через липидный бислой возможно только с участием особых белков. Часть из них способна формировать в нем упомянутые выше поры (каналы), пригодные для прохождения тех или иных молекул или ионов. Но чаще перенос реализуется гораздо более сложными механизмами, не требующими создания канала. Иногда они сопряжены с перемещениями белка-переносчика относительно бислоя. В других случаях белок, образовав комплекс с переносимым веществом по одну сторону мембраны, претерпевает такую конформационную перестройку, благодаря которой освобождается от него по другую сторону бислоя (возвращаясь при этом в исходное конформационное состояние). Но всегда именно мембранные транспортные белки обеспечивают избирательность процесса и часто снабжены специальными механизмами контроля, регулирующими интенсивность транс мембранного потока.

Перенос какого-либо вещества бывает однонаправленным (унипорт) либо возможным в обоих направлениях. Некоторые белки-переносчики осуществляют котранспорт, при котором перемещение одного вещества сопряжено с одновременным (или поочередным) переносом другого либо в том же направлении (сгтпорт), либо во встречном {антипорт).

Во многих случаях грансмембранное продвижение молекул и ионов осуществляется путем простой диффузии. Происходит она по градиенту концентраций., а для заряженных частиц

по электрохимическому гродиенту, который определяется еще и разностью потенциалов по обе стороны мембраны. Участие транспортных белков позволяет ускорять физическую диффузию веществ (механизм облегченной диффузии).

От перечисленных способов пассивного транспорта принципиально отличаются системы, обеспечивающие перенос веществ против их электрохимического градиента. Работа по преодолению концентрационного (и электрического) барьера требует затраты энергии. Отсюда и название — активный транспорт. Источником энергии для него чаще всего служит попутное расщепление АТФ до АДФ и фосфата. Фермент, обеспечивающий такой процесс, обозначается как транспортная аде- позинтрифосфатаза (АТФаза).

К наиболее распространенным относится натрий-калиевая АТФаза (№+,К+-АТ Фаза). Этот трансмембранный белок широко представлен в плазматической мембране животных клеток и очень чувствителен к концентрациям ионов и К+. Внеклеточный его фрагмент имеет центр связывания для К+, а на цитоплазматической стороне находятся участки, специфичные для Иа+ и АТФ. Связывание внутриклеточного №+ стимулирует АТФазную активность, в результате чего освобождается молекула АДФ, а фосфатный остаток остается соединенным с ферментом. Наступающие при этом конформационные изменения белка вызывают выброс №+ из клетки наружу, за чем следует присоединение внеклеточного К+. Это, в свою очередь, ведет к отщеплению фосфатной группы (во внеклеточную среду), которое способствует «переброске» К+ внутрь клетки с возвратом №+,К+-АТФазы в исходное конформационное состояние. В каждом цикле перечисленных событий гидролиз одной молекулы АТФ сопряжен с выбросом трех ионов Ыа+ из клетки и «накачиванием» в нее двух ионов К+. Эта неэквивалентность обмена - главная причина дефицита катионов внутри клетки. Иными словами, плазматическая мембрана оказывается поляризованной: цитоплазматическая сторона ее заряжена отрицательно по отношению к наружной. Благодаря непрерывной работе Ыа+,К+-АТФазы, трансмембраниая разность электрических зарядов {потенциал покоя) поддерживается на постоянном уровне, вопреки неизбежным «утечкам» №+ и, особенно, К+, происходящим путем простой диффузии.

Содержание во внеклеточных средах в десятки раз превышает концентрацию ионов К+, а внутри клеток наблюдается обратное соотношение. Системы, которые создают такой градиент, нередко называют насосами. В данном случае — натрий-калиевый насос (Ыа+, 10- насос). Значение его видно уже из того, что на перекачивание ионов Ыа+ и К+ расходуется более 30% АТФ, утилизируемого клеткой на свои нужды в состоянии покоя.

В нейронах трансмембранный градиент концентраций этих ионов необходим для реализации элементарного акта нервной деятельности, каковым является возникновение и распространение нервного импульса. Роль пускового фактора играют чаще всего особые натриевые каналы, которые в покое непроницаемы для ионов, но мгновенно раскрываются в ответ на воздействие нейромедиатора или иного раздражителя. Локальный прорыв в клетку даже малой порции катионов (несколько тысяч ионов Иа+ за одну миллисекунду) вызывает скачкообразную деполяризацию мембраны, означающую смену потенциала покоя потенциалом действия. Очевидно, в таких каналах должны быть некие «ворота», которые быстро распахиваются под действием раздражителя, но почти сразу же вновь захлопываются, останавливая поток ионов. В данном случае закрытие «воротных каналов» происходит под влиянием развивающегося потенциала действия. Тем самым обеспечивается предельная кратковременность нервного импульса.

Изменение трансмембранного электрического потенциала в зоне возникновения импульса создает соответствующую разность зарядов вдоль мембраны, т.е., относительно смежных ее участков. В них из-за этого тоже раскрываются «ворота» для Иа+ и происходит скачок трансмембранного потенциала (с некоторой, естественно, задержкой относительно локуса начальной деполяризации). Таким способом потенциал действия постепенно охватывает всю остальную поверхность клетки (и ее отростков), пробегая по ней в виде волны электрического тока (ибо ионный поток - это род электрического тока). Аналогией может служить движение огня по бикфордову шнуру. Однако шнур при этом сгорает, а в биомембране локальный сдвиг мембранного потенциала сразу же компенсируются работой Ка+,К+-на- соса, возвращающего состояние готовности к возникновению и проведению новых импульсов. На эту работу нейроны расходуют до 70% синтезируемого ими АТФ.

Система Ыа+,К+-насоса и воротных каналов действует не только в нервной, но и в других возбудимых тканях, включая мышечную. Вместе с тем, градиент концентраций, создаваемый №т,К+-АТФазой, многие клетки не применяют для генерирования волны возбуждения, а используют в качестве движущей силы (вместо АТФ) для активного транспорта некоторых веществ. Так, всасывание глюкозы эпителиальными клетками тонкой кишки осуществляется не только путем пассивной диффузии, но и в значительной степени благодаря сопряжению с транспортом ионов Ыа+, устремляющихся в клетку по градиенту их концентрации. Как полагают, белок-переносчик имеет разные участки для связывания Иа+ и глюкозы. Чем больше различие в содержании Ыа+ внутри и вне клетки, тем интенсивнее поступает в нее глюкоза (и натрий, естественно). Подобный механизм активного транспорта за счет градиента концентрации Иа+ осуществляется также при реабсорбции глюкозы в почечных канальцах. Во всех этих случаях дальнейший переход моносахарида из клетки в кровь происходит путем пассивной диффузии по градиенту его концентрации. Известны Ыа+-зависимые переносчики и для других сахаров, а также для аминокислот. Надо заметить, однако, что в конечном счете источником энергии для таких систем является выкачивание Иа+ из клетки, обеспечиваемое работой Ыа+,К+-АТФазы.

Среди других ионных насосов наиболее важную роль играет кальций-зависгмая АТФаза (Са2+-АТФаза, Са2+-насос). Встроенный в плазматическую мембрану, фермент настолько энергично выкачивает Са2+, что его концентрация в цитозоле эукариотических клеток на 3-4 порядка ниже, чем во внеклеточных средах (где она находится обычно на уровне

2 мМ). Быстрый поток ионов Са2+, устремляющийся в клетку при определенных воздействиях, служит одним из важных способов трансмембранной передачи сигналов.

Скелетная мышца демонстрирует наиболее выразительный пример управления клеткой посредством ионов Са2+. Крайне низкий уровень их в цитозоле поддерживается работой не только Са2+-АТФазы плазматической мембраны (сарколеммы). Значительный вклад вносит также фермент, встроенный в мембрану сарко- плазматического ретикулума (СР) и составляющий до 90% всего белка этой мембраны. За каждый цикл работы этот Са2+-насос, гидролизуя со стороны цитоплазмы молекулу АТФ, перекачивает два иона Са2+ внутрь цистерн СР, делая из них своеобразное хранилище внутриклеточного Са2+ (10‘3 М). Потенциал действия, возникающий при возбуждении мышечной клетки, распространяется по сарколемме и образуемым ею Т-трубочкам, достигая участков их контакта с мембраной СР. Здесь электрический импульс вызывает быстрое раскрытие «воротных» каналов, через которые поток накопленного в цистернах Са2+ устремляется в цитозоль. Это служит сигналом для укорочения миофибрилл, ибо достаточный уровень ионов Са2+ (10'б-10'5 М) стимулирует АТФазную активность комплекса сократительных белков мышцы. Иными словами, только в присутствии указанных концентраций Са2+ эти белки способны превращать энергию расщепления мак- роэргической связи АТФ в механическую работу укорочения мышечного волокна. Расслабление мышцы, как оказалось, тоже требует затраты энергии АТФ: она нужна для обратного откачивания ионов Са2+ в цистерны СР. Осуществляет этот обратный процесс Са^-АТФаза, которая сильно активируется избытком Са2* в цитозоле и поэтому быстро снижает уровень этого иона в нем до 1СГ7 М или еще ниже (что и приводит к расслаблению миофибрилл).

Приведенные примеры показывают, что системы трансмембранного переноса вешеств очень разнообразны. Они различаются и своей избирательностью, и способами функционирования, и механизмами регулирования. Их согласованная работа обеспечивает специфику состава и соотношения растворимых веществ в различных отсеках клетки.



загрузка...